常温厌氧污泥消化的停留时间分析Word文件下载.docx

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为便于分析，本文将此定义为“微生物污泥”，并以此为MLVSS进行动力学分析。

1　试验概况

　　试验用图1的消化装置，14组消化反应器分别置于25±

℃的恒温水槽内，停留时间分别为8、10、12、15、20、25、30、40、60、80、100、120、150、200天。

反应器容积：

8～80天消化组用玻璃瓶，混合液容积为；

100～200天消化组采用5L玻璃瓶，混合液容积为4L。

每天1次进行污泥的排出和投配，早、晚各1次充分搅拌，使反应器内污泥混合均匀。

接种污泥以城市污水处理厂二沉池污泥经8个月充分驯化而成。

　　投配污泥的初始测定值：

pH值为，CODCr31548mg/L，BOD512843mg/L，VFA1412mg/L,TS22424mg/L，VS18383mg/L，SS19561mg/L，VSS16675mg/L，T-N835mg/L。

试验共进行了10个月，每天定时测定反应器内混合液的pH值、挥发酸（VFA）、BOD5、CODCr及MLVSS等值，分析数据为稳定运行状态下3个星期的平均值（见表1）。

图1　消化装置示意

　Illustrationofthedigestionunit

A.反应器　B、C.沼气测量系统　D.混合液采样口

E.基质投加口　F.安全阀　G.恒温水槽　　　　　

表1　试验测定结果平均值

Table1　Averageresultsmeasuredintheexperiments

消化天数（d）

产气量（mL/d）

pH值

BOD混（mg/L）

BOD分（mg/L）

CODCr（mg/L）

VFA（mg/L）

TS（mg/L）

VS（mg/L）

SS（mg/L）

VSS（mg/L）

8

2391

5644

1386

17309

15852

11198

13186

9807

10

2109

3694

907

14744

13785

9120

11412

8067

12

1877

3022

727

14956

12846

8570

10930

7598

15

1237

2771

542

16161

16702

10125

13649

9389

20

1159

2301

492

13449

12883

8349

10760

7293

25

945

2256

467

13488

13025

8309

10813

7226

30

641

2113

446

15627

14249

9250

12520

8354

40

461

1984

419

13443

13774

12132

7996

60

326

1713

342

13050

13487

8471

11708

7543

80

247

1793

321

12024

13104

8187

11244

7234

100

387

1699

389

12289

13350

8238

11269

7106

120

334

1520

410

12888

13009

7956

10992

7019

150

273

1539

358

12523

12893

7795

10884

6875

200

216

1455

12407

12699

7789

10500

6533

2　试验结果及动力学分析

　　图2为产气量与停留时间的关系。

为便于分析，同时给出高温（53℃）、中温（37℃）消化的试验曲线。

从图2可见，在12～30天消化条件下，中、高温产气量均达到600～630mL/g*VS，接近最高产气量。

常温消化的产气量在12～200天范围内，在465～630mL/g*VS间渐增。

由此看来，为获得与中、高温稳定状态同程度的产气量，常温消化需150天以上的停留时间。

同时发现，反应器混合液pH值达到以上需40天以上的消化时间。

　　图3为消化时间与有机物分解率的关系。

在高、中温消化、产气率稳定的状态下，有机物分解率在55%～63%范围内上升，而常温消化在8～30天内急增，40天以上有机物分解率增势趋缓，150～200天时达到最大值（55%），常温消化难以达到高、中温时的最大消化率。

为获得50%以上的分解率，需有60天以上的停留时间；

要获得55%以上的分解率，高、中温消化的停留时间在12天以上即可，而常温需150天以上。

尽管如此，30天消化的分解率已经达到46%，为最高消化率（55%）的84%；

要达到90%的最大可能消化率，停留时间在60天以上即可，此时分解率为%。

图2　产气量、pH值与停留时间关系

　Therelationshipbetweentheamountofgas

production,pHandratentiontime

图3　有机物分解率与停留时间关系

　Therelationshipbetweenthedegradetion

rateoftheorganicmatter

　　图4为反应器的基质浓度与基质消化速度的关系。

由图4可知，与合成基质时的抛物线分布不同，此时呈S型分布规律，在BOD5为2050mg/L处出现拐点。

因而判定，常温污泥消化过程不能简单地套用Monod方程，必须在对微生物污泥的增殖规律进行分析的基础上，引进Moser模型〔1～3〕，以考察常温厌氧污泥消化的动力学过程。

根据本研究的具体条件，图1的消化系统可概括为的完全混合型反应器，故

　　基质的容积负荷

　　去除率　　　　

（2）

　　消化速度　　　（3）

式中：

X0、X为投料及反应器内的微生物浓度；

S0、S为投料及反应器内的基质浓度；

Q为流量；

V为反应器混合液体积；

t为污泥停留时间。

由反应器内微生物污泥的平衡关系可得：

　　（4）

Kd为微生物污泥的自身氧化率。

　　（dX/dt）=-Kd*X　（5）

Y为微生物污泥的产率系数：

（6）

通常情况下，X0=0；

在稳态下dX/dt=0，故（4）式可化简为：

（7）

图4　基质消化速度与基质浓度关系

　Therelationshipbetweensubstratedegestion

speedandsubstrateconcentration

进一步线性化可得：

　（8）

作图（图5），可得（8）式中Y=，Kd=。

以（6）式中微生物污泥概念为基础，将试验资料作图（图6），由直线的斜率求得甲烷发酵阶段微生物污泥产率系数Y=（VS/TS=，相关系数r=。

可见两者所得Y值非常一致。

一般情况下，合成基质高温厌氧消化的微生物产率系数YBOD=*VSS/mg*BOD5（YCODCr*VSS/mg*CODCr）。

可见，本文定义的微生物污泥的产率远大于合成基质，两者之比为。

由于微生物污泥不同于单纯的菌体，因而产率值相差甚远。

图5　Rs/X～1/t关系

　TherelationshipbetweenRs/Xand1/t

图6　式（6）所得ΔBOD5～ΔVSS关系

　TherelationshipbetweenΔBOD5　and

ΔVSSderivedfromequation（6）

　　令微生物污泥增殖速度为：

　　　　　Rm=K*X　（9）

K为微生物污泥的比增殖速率，采用下式的Moser方程：

　（10）

Km为微生物污泥的最大比增殖速度；

Ks为Moser常数。

当n=1时，（10）式即为Monod方程，Ks则为Monod方程的饱和常数。

由微生物污泥产率系数的定义可得：

　（11）

代入式（9）、（10）得：

　（12）

线性化可得：

　　由图4中S～Rs曲线的S型分布规律可知，式（13）中n>

，作者在已有的研究〔1〕中得出，常温厌氧污泥消化按二级反应进行分析可获得足够的精度。

因此，取n=2，将Y，n等值代入式（13），并作X/Rs～（1/S）2图（图7），可得Moser模型常数Km=，Ks=（3618）2，代入式（10）得：

　（14）

图7　X/Rs～（1/S）2

　Therelationshipbetweenand

图8　n=2时的Moser模型关系

　TherelationshipdiagramsforMosermodelwhennis2

　　图8绘出式（14）中S～K关系，可见在30天消化处有拐点，对式（14）求得拐点处浓度：

S==2088mg*BOD/L　（15）

　　与图4所得值非常接近，说明在本试验条件下取Moser模型指数n=2符合实际反应条件。

　　令反应器内混合基质的稀释率为D=1/t，则最大稀释率Dm对应着最小停留时间tmin。

将式（3）代入式（7），可得：

　　X*（D+Kd）=Y*D（S0-S）　（16）

改写式（12）并代入式（8），可得：

　　　　（17）

代入（16）式得：

　（18）

将式（18）对D求导数并令其为零：

解得Dm=，故甲烷发酵阶段的最小停留时间tmin=1/Dm=≈7（d）。

本试验8天消化时pH=，有机物分解率为%，消化过程显得不稳定，此时有机酸积累（VFA=L），明显高出10天以上消化的VFA值。

由此可见，停留时间对污泥的厌氧消化过程及有机物分解率、产气率等影响很大。

为保证城市污泥的正常消化过程，需保证停留时间不低于该消化温度下的最小停留时间。

3　结论

　25℃下常温厌氧污泥消化的动力学分析及试验结果表明，由于温度的影响，常温消化的反应速度、产气率、有机物分解率均明显低于高、中温消化。

为获得同样程度的产气率（600～630mL/g*VS）和有机物分解率（55%），常温消化需150天以上的停留时间，而高、中温只需12～30天。

　常温污泥消化的基质浓度与消化速度关系不同于合成基质，呈S型，可采用Moser模型模拟其动力学过程。

n=2时，Y=*MLSS/mg*BOD,Kd=1/d,Km=1/d,Ks=（3618）2（mgBOD/L）2，tmin=7d，可用于控制常温厌氧消化过程。

　常温消化虽运行效果不及高、中温，但由于无需加温，从而大大节省能耗，降低运行管理费用，并使装置简化。

因而，在我国南方大部分地区仍不失为一种经济、简便的污泥处理处置方法，具有较好的开发应用前景。

参考文献

1　远藤郁夫，王世和.（日）土木学会第49回年次讲演概要集，1994，92　清水达夫.剩余污泥的甲烷发酵机理及动力学分析.下水道协会志，1992，29（339）：

82～923　PavlotathisSG，GossettJmodelforanaerobicdigestionofbiologicalandBioeng，1996,28：

1519～1530

作者简介

王世和　男，1945年11月生。

现任东南大学环境工程系教授。

主要从事环境工程及废水处理等方面的教学和科研工作。

主持承担水处理生物流化床的微生物与流体相关机制及其应用等两项国家自然科学基金及4项省部级课题的研究，获省、市科技奖各1项，教学奖5项。

发表论文40多篇。

收稿日期：

1997-05-28